放大电路的工作原理和三种基本放大组.doc

主要内容1.1半导体基础知识1.1.1 本征半导体所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介乎导体和绝缘体之间。用得最多的半导体是锗和硅，都是四价元素。将锗或硅材料提纯后形成的完全纯净、具有晶体结构的半导体就是本征半导体。半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力并不强。但有些半导体在温度增高、受光照等条件下，导电能力会大大增强，利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件。更重要的是，在本征半导体中掺入微量杂质后，其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍，利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。半导体的这种与导体和绝缘体截然不同的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的。在半导体共价键结构中，价电子（原子的最外层电子）不像在绝缘体（8价元素）中那样被束缚得很紧，在获得一定能量（温度增高、受光照等）后，即可摆脱原子核的束缚（电子受到激发），成为自由电子，同时共价键中留下的空位称为空穴。在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，在一定温度下达到动态平衡，载流子便维持一定数目。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。1.1.2 掺杂半导体相对而言，本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。N型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。P型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。应注意，不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的。1.1.3 PN结的形成P型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型（或P型）半导体的局部再掺入浓度较大的三价（或五价）杂质，使其变为P型（或N型）半导体，在P型和N型半导体的交界面就会形成PN结，而PN结就是构成各种半导体器件的基础。其中，图a所示的是一块晶片，两边分别形成P型和N型半导体。为便于理解，图中P区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如图b所示），也就是PN结，又叫耗尽层。正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场，称为内电场，它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。同时，内电场对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。1.1.4 PN结的单向导电性PN结具有单向导电的特性，这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态。如果在PN结上加反向电压，外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，于是空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。由以上分析可知，PN结具有单向导电性，这是PN结构成半导体器件的基础。动画演示1.2二极管1.2.1 二极管的结构和分类将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。P区对应的称为阳极（或正极），N区对应的称为阴极（或负极）。按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。图（a）所示为点接触型（一般为锗管），它的PN结结面积很小，因此不能通过较大电流，但其高频性能好，一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。图（b）所示为面接触型（一般为硅管），它的PN结结面积大，因此能通过较大电流，但其工作频率较低，一般用作整流元件。图c、d所示为二极管的内部结构和符号。1.2.2 二极管的伏安特性二极管既然是一个PN结，当然具有单向导电性。图中Uon称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。当外加正向电压低于死区电压时，外电场还不足以克服内电场对扩散运动的阻挡，正向电流几乎为零。当外加正向电压超过死区电压后，内电场被大大削弱，正向电流增长很快，二极管处于正向导通状态。导通时二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.60.8V，锗管约为0.20.3V。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。图中UBR称为反向击穿电压，当外加反向电压低于UBR时，二极管处于反向截止区，反向电流几乎为零，但温度上升，反向电流会有增长。当外加反向电压超过UBR后，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般会造成“热击穿”，不能恢复原来性能，也就是失效了。二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。1.2.3 稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其伏安特性和符号如图1.2.4稳压管的伏安特性和等效电路所示。由图可见，其特性和普通二极管类似，但它的反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压二极管的主要参数为稳压值UZ和最大稳定电流IZM，稳压值UZ一般取反向击穿电压。稳压二极管使用时一般需串联限流电阻，以确保工作电流不超过最大稳定电流IZM 。在图1.2.5所示稳压管稳压电路中，R为限流电阻，RL为负载电阻，只要输入反向电压在超过Uz的范围内变化，负载电压则一直稳定在Uz。1.3.三极管1.3.1 三极管的结构和分类图1.3.1所示为三极管的几种常见外形，其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。通俗来讲，三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。参见图1.3.2三极管的结构和符号图。其中，图a、b所示为NPN型三极管的内部结构，图c为NPN（一般为硅管）和PNP （一般为锗管）三极管的符号。上述三层结构即为三极管的三个区, 中间比较薄的一层为基区，另外两层同为N型或P型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。三个区各自引出三个电极，分别为基极（b） 、发射极（e）和集电极（c）。如图b所示，三层结构可以形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。三极管内部结构中有两个具有单向导电性的PN结，因此当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件，正是它的出现促使了电子技术的飞跃发展。1.3.2 三极管的电流放大作用图1.3.3所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。其中，直流电压源Vcc应大于Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻Rb，基极电流IB，集电极电流Ic 和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：（1） IE IB IC ( 符合克希荷夫电流定理）（2） IC IB ? （ ?称为电流放大系数，可表征三极管的电流放大能力）（3） IC IB ?由上可见，三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。1.3.3 三极管的放大原理以下用NPN三极管为例说明其内部载流子运动规律和电流放大原理，参见图1.3.4三极管内部载流子运动与外部电流。1、发射区向基区扩散电子：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。2、电子在基区扩散和复合：由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流IB，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。3、集电区收集从发射区扩散过来的电子：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。1.3.4 三极管的输入输出特性三极管的输入特性是指当集-射极电压UCE为常数时，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。参见图1.3.5三极管的输入特性曲线。对硅管而言，当UCE超过1V时，集电结已经达到足够反偏，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。如果此时再增大UCE ，只要UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定）， IB也就基本不变。就是说，当UCE超过1V后的输入特性曲线基本上是重合的。由图可见，和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当UBE大于死区电压时，三极管才会出现基极电流IB。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压UBE为0.60.7V，PNP型锗管的发射结电压UBE为-0.2 -0.3V。三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。参见图1.3.6三极管的输出特性曲线。动画演示通常把输出特性曲线分为三个工作区：1、放大区：输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区, IC IB ?,由于在不同IB下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使UBE0，UBC0，或UI40V，D2导通的条件是80V - UI0，或UI80V。当0UI40V时，D1截止，D2导通，此时当40VUI80V时，D1导通，D2截止，Uo=80V电路的电压传输特性如图(b)。例3 又两个双极型三极管：A管的200，ICEO=200A；B管的50，ICEO=50A，其它参数相同，应选用哪一个？解：本题的目的是加深对三极管主要参数的理解。如果只从放大考虑，应选A管(大)。如果从管子工作的温度稳定性考虑，应选B管(ICEO小)。一般情况下，宁选不太大而ICEO很小的管子，因为放大倍数不够可以通过其它途径解决(改变放大电路参速或增加放大级数)，但工作不稳定会使整个电子设备无法正常运行。另外，ICEO的大小也能衡量管子的寿命。ICEO小，寿命可能要长些。例4 图一(a)所示电路中的场效应管输出特性如图(b)(a) (b)(1) 管子是什么类型？(2) 流过电阻R的电流和管压降UDS为多大？(3) 如果R=5K，(4) 则流过电阻R的电流和管压降又为多大？解：本例的目的在于进一步练习由图形符号和输出特性决定管子的类型，并利用外特性和管子在电路中的具体接法进行一些计算，进一步熟悉管子的工作原理。(1)由图(a)的图形符号，根据栅极G和导电沟道不接触以及沟道是连续线，可知管子是耗尽型MOS管。图形符号上虽未画出箭头，但由VDD极性为正，可知是N沟道。另外，由输出特性上UGS可正可零可负，可知管子是耗尽型MOS管。又从UDS和Ib的极性，可知是N沟道管。(2)包含场效应管的电路是非线性电路。求管中流过的电流和管压降，应该用图解法。此时，非线性部分(管子)的特性是UGS=0V的输出特性，而线性部分的特性是正弦UDS=VDD-IDR=10V-0.5ID。两特性的交点肯定在放大区，所以ID=2mA，UDS=10-0.52=9V。(3)如果R=5K，则非线性部分的特性虽未变，而线性部分的特性变为UDS=10V-5ID。由两特性的交点(图1(b)上的点P)求得：ID=1.5mA，UDS=2.5V。此时，场效应管的工作点已推出放大区而落入可变电阻区。例5 结型场效应管在发达区内的转移特性可由下式表示：ID=(A)。画出它的转移特性和漏极特性(不必画到击穿区)。解：本例的目的在于熟悉结型场效应管转移特性的近似表达式和曲线，并掌握转移特性与漏极特性之间的联系。根据表达式和UGS(off)= -4V，可知管子的沟道是N型，UGS应小于0，选取几组数据如下UGS/V 0 -1 -2 -3 -4ID/mA 10 5.6 2.5 0.6 0由上述数据可逐点画出管子的转移特性，并画出放大区内的输出特性。如图1-(a)和(b)。(a) (b)难点释疑一. 为什么说在空间电荷区内几乎没有载流子？答：因为PN结各区所带的电荷，应由该处杂质离子与载流子电荷的总和来决定。在空间电荷区以外的P区或N区中，杂质离子的电荷被载流子电荷所补偿，总电荷等于零。所以是电中性的。在进入空间电荷区后，多数载流子(对P区是空穴，对N区是自由电子)的浓度将迅速地降低到对方区域少数载流子的浓度，见图1一，就不足以完全补偿杂质离子的电荷了。必须注意到除便笺以外，子阿大部分空间电荷区中，多数载流子的浓度很快减少以致耗尽。所以如果忽略空间电荷区中载流子的电荷，就可以认为，空间电荷区中的总电荷密度主要由杂质离子决定。一般认为空间电荷区的电荷密度等于杂质离子的电荷密度，而载流子浓度近似未零。这种近似模型叫做耗尽层近似。空间电荷区也叫耗尽层。二. 把二极管锻炼，是否应该有电流流通？把一个有玻璃壳的二极管刮去外面的黑漆，两端接一微安表，不接任何电源，在光照之下电表是否有指示？把它加温到50C，过一段时间后，电表是否有指示？答：二极管短路时没有电流。原因是PN结两端虽有电位差，但是在半导体和金属电极接触处，也有“接触电位差”，后者抵消了PN结两端的电位差。金属半导体结和PN结不同：(1)没有单向导电性，(2)接触电位差和外加电压的极性及幅值无关。这种接触叫做“欧姆接触”。从另一种角度分析，如果有电流，金属导线就会发热，二极管就要冷却。作为一个热平衡的整体，要产生这种现象是不可能的。所以，二极管短路时I=0。二极管受光照后，光能激发半导体内的载流子，产生电子空穴对。对P区和N区的多子来说，原来浓度很大，受光激发后浓度变化不大。但是对少子来说，原来浓度很小，受光激发后浓度可能增大很多倍。因此，光照对对多子的扩散运动影响不大，单却大大加强了少子的漂移运动。在PN结电位差的作用下，这些增加的少子漂移过PN结，形成反向电流。光照愈强，反相饱和电流愈大。如果把二极管加热今后，使之稳定在50C而不再加热，则在新的热平衡条件下，电表指示又将为零。总之，二极管要有电流，除了必须有PN结这一内因之外，还必须有外因，即必须外加能量。一般用电能，也可以用光能、热能、辐射能等。三. 在稳压管的击穿机理中，为什么UZ7V是雪崩击穿？三极管的发射结，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低，如果击穿，又属于什么机理？答：奇纳击穿是由于空间电荷区内的强电场把半导体原子共价键的束缚电子强行拉出，新的电子空穴对大量涌现而发生的额。掺杂浓度高的二极管，结区很窄，不太高的反向电压就能引起奇纳击穿。所以，稳定电压低(UZ7V的属于雪崩击穿。四. 双极型三极管又两个PN结。如果仿照这种结构，用两个二极管反向串联(见下图)，并提供必要的外部偏置条件，能过得与三极管相似的电流控制和放大作用吗？为什么？答：没有电流控制和放大作用。因为在三极管中两个PN结通过基区互又联系，是靠载流子在基区中的传输和复合实现电流的控制和放大的。但是，在两个二极管的结构时，不存在联系两个PN结的基区及其作用。所以，在介绍双极型三极管的结构时，强调的是在同一块半导体材料上，用集成工艺制作出三个掺杂类型和浓度不通的区，形成两个在载流子运动方面互有联系的PN结，而且基区最薄，掺杂浓度最低。总之，要实现电流的控制和放大作用，不仅要有正确偏量这一外部条件，而且必须有涉及管子结构的内部条件。五. 场效应管在漏端预夹断后，诶什么还有漏极电流ID?答：以N沟道增强型MOS管为例来说明。当漏源之间接上+UDS时，从源沟道漏组成的N型半导体区域内产生了一个横向的电位梯度：源区为零电位，漏区为+UDS，而沟道的电位则从源端逐渐升高。在高到的不通位置上，沟道厚度不通，源端最厚，漏端最薄。当UDS增大道栅漏电位插UGS-UDS=UGS(th)时，漏端预夹断。这个夹断区成了漏源间电流通路伤电阻最大的区。UDS的仍和进一步增加就必然会几张降在这里，使预夹断区具有很强的电场。由于现在被夹断的只是漏端的一个小区域，在预夹断区左边还有含大量自由电子的N沟道，这些自由电子仍可在沟道中漂移，在到达预夹断区时，就受预夹断区强电场的吸引，滑入漏区。所以，在漏端预夹断厚，漏源之间仍有漏极电流ID。放大电路的工作原理和三种基本放大组态 放大电路里通常是晶体三极管、场效应管、集成运算放大器等，这些器件也称为有源器件。共射放大电路如图所示。Vcc是集电极回路的直流电源，也是给放大电路提供能量的，一般在几伏到几十伏范围，以保证晶体三极管的发射结正向偏置、集电结反向偏置，使晶体三极管工作在放大区。Rc是集电极电阻，一般在几 K 至几十K 范围，它的作用是把集电极电流iC的变化变成集电极电压uCE的变化。VBB是基极回路的直流电源，使发射结处于正向偏置，同时通过基极电阻Rb提供给基极一个合适的基极电流IBQ， 使三极管工作在放大区中适当的区域，这个电流IBQ常称为基极偏置电流，它决定着三极管的工作点，基极偏置电流IBQ是由VBB和基极电阻Rb共同作用决定的，基极电阻Rb一般在几十K至几百K范围。 如在输入端加上一个较小的正弦信号ui , 通过电容C1加到三极管的基极，从而引起基极电流iB在原来直流IBQ的基础上作相应的变化，由于ui是正弦信号，使iB随ui也相应地按正弦规律变化，这时的iB 实际上是直流分流IBQ和交流分量ib迭加后的量。同时iB的变化使集电极电流 iC 随之变化，因此iC也是直流分量IC和交流分量ic的迭加，但iC要比iB大得多（即倍）。电流iC在电阻RC上产生一个压降，集电极电压uCE =VCCiCRL，这个集电极电压uCE 也是由直流分量IC和交流分量 iC两部分迭加的。这里的 uCE和 iC相位相反，即当 iC增大时, uCE减少。由于C2的隔直作用，使只有 uCE的交流分量通过电容C2作为放大电路的输出电压uO。如电路参数选择适当，uO要比 uI的幅值要大得多，同时 uI与 uO的相位正好相反。电路中各点的电流、电压波形如图所示。共射基本放大电路 一个晶体三极管可以看作为一个双口有源网络，由于晶体三极管只有三个极端，因此其中必须有一个极端作输入和输出的公共端。如果以其中发射极e作为输入和输出的公共端，基极b作为输入，集电极c 作为输出，则该放大电路称为共射放大电路。相应地以基极b作为输入和输出公共端，发射极e作为输入，集电极c 作为输出的称为共基放大电路。以集电极c 作为输入和输出公共端，基极b作为输入，发射极e作为输出的称为共集放大电路。这称为晶体三极管放大电路的三种基本放大组态。放大电路三种基本组态（a）共射放大电路 (b)共基放大电路 (c)共集放大电路放大电路的图解法 放大电路有三种主要分析方法：一是图解法，二是微变等效电路法，三是计算机辅助分析法。 图解法是根据晶体管的输入和输出特性曲线，以及电路参数，在特性曲线上确定静态工作点Q的位置，并根据输入信号的波形，画出晶体管各点的电流电压波形，以及输出信号的波形。因此图解法分析放大电路可以分为静态分析和动态分析两步来做。 用图解法对放大电路的静态分析可分为两步，先根据输入回路的IB与 UBE的关系式在输入特性曲线上确定输入回路的静态工作点Q，随后根据输出回路的IC与UCE关系式式确定输出回路的静态工作点，求出ICQ和UCEQ。其中需要分别在输入特性图和输出图上作出直流负载线。(a) (b)图解法求静态工作点(a) 输入回路的图解法 (b) 输出回路的图解法 动态工作情况分析：首先根据uI在输入特性上求iB的波形，然后根据iB在输出特性上求iC和uCE的波形。 要注意，放大电路中电压电流包含两个分量，一个是无输入信号时由静态工作情况决定的直流分量IBQ、ICQ、UCEQ；另一个是由输入电压引起的交流分量ib、ic和uce。微变等效电路分析法在放大电路输入信号电压很小时，就可以把晶体管小范围内特性曲线近似用直线来代替，从而把晶体管这个非线形元件用一个等效的线形电路来近似代替，然后利用分析线性电路的一些方法来分析晶体管的放大电路，这就是微变等效电路法的指导思想。因此微变电路法只适用于小信号时电路分析，另外微变等效电路法只能用来求交流特性，即动态分析，不能求静态工作点，即微变的概念。（1）晶体管的h参数及等效电路晶体管h参数等效电路（2）用h参数等效电路分析共射放大电路对放大电路进行静态分析，主要是确定其静态工作点Q，即求出IBQ，ICQ，UCEQ。对放大电路进行动态分析，主要是计算放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。用h参数微变等效电路分析共射放大电路（a）共射放大电路 (b) h参数微变等效电路静态工作点的计算ICQ=IBQUCEQ=VCCICQRC交流性能参数的计算电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 Ro=Rc其他基本放大电路的分析(1)射极偏置电路射极偏置电路能稳定静静态工作点，当温度变化或其他原因使晶体管参数变化时，其工作点能稳定在合适的位置。这个电路是交流放大电路中最常用的一个基本电路。能稳定工作点的射极偏置电路(a) 射极偏置电路 (b) 微变等效电路静态工作点计算交流性能计算从上式可知，接Re以后，虽然工作点稳定提高了，但放大倍数Au下降了，而且Re越大则Au越小，如果在Re上并联一个大电容Ce，它对交流近似可看作短，使晶体管的发射极交流接地，这时与基本共射电路相同，使放大倍数不致下降，而工作仍能得到稳定。Ri=Rb1/Rb2/Ri 其中Ro=Rc（2）共集电极电路共集放大电路信号从基极输入，从发射极输出，集电极作为输入输出的公共端。该电路又称为射极输出器，或称射极跟随器，也是最常用的一种基本电路。共集电极电路的特点是：输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数小于1接近于1，主要用作输入极、输出极和极间缓冲极。用微变等效电路分析共集放大电路（a）共集放大电路 (b) h参数微变等效电路静态工作点计算再由ICQ=IBQ , UCEQ=VCC-ICQRe可求出静态工作点。交流性能的计算共集电路的输入电阻很大而输出电阻很小；另外它的电压放大倍数虽然小于1，但它的电流放大倍数仍较大，约为(1+)倍。（3）共基极电路共基极电路的输入信号加在晶体管的发射极，输出是集电极，基极是输入输出的公共端。 用微变等效电路分析共基极放大电路(a)共基极放大电路 （b）微变等效电路静态工作点分析交流性能分析其中 与共射放大电路比较，共基放大电路的特点是：(1)电压放大倍数数值上同相，而共基电路是正值，表明输入与输出同相；电流放大倍数共基电路是略小于1。(2)输入电阻比共射电路小，输出电阻相同。(3)共基电路的频率响应好，在要求频率特性高的场合多采用共基电路。场效应管放大电路场效应管与双极型晶体管一样能实现信号的控制，所以也能组成放大电路。场效应管的三个极G、D、S分别与晶体管的三个极b、c、e相对应，因此从放大电路的组成上看也可以有三种基本放大组态，即共源放大电路共漏放大电路共栅放大电路，其中共栅放大电路因不常用。（1）共源放大电路与晶体管的共射放大电路相对应，由N沟道结型场效应管和MOS场效应管组成的共源放大电路分别如图(a)和(b)所示。共源放大电路(a) N沟道结型场效应管共源放大电路 (b) MOS场效应管共源放大电路静态分析场效应管组成放大电路和晶体管一样，要建立合适的静态工作点，所不同是，场效应管是电压控制器件，因此它需要有合适的栅极电压。通常场效应管的偏置电路形式有两种：自偏压电路和分压式自偏压电路，分别如图(a)(b)所示。自偏压电路只适用于结型场效应管或耗尽型MOS管：分压式自偏压电路既适用于增强型场效应管，也能用于耗尽型场效应管。栅极电压：对场效应管放大电路静态工作点的确定，可以采用图解法或公式计算，图解法的原理和晶体管相似。用公式进行计算可通过特性方程：或交流分析共源放大电路的微变等效电Ri=（Rg1/Rg2）+Rg3Ro=Rd共源放大电路与共射电路形式相类似。只是共源放大电路的输入电阻要比共射电路的大得多（Rgs通常很大），故需要高输入电阻时多宜采用场效应管放大电路。（2）共漏放大电路共漏放大电路是与共集放大电路类似的一种电路形式。电路如图所示。共漏放大电路也常称为源极跟随器或源极输出器。共漏放大电路（a）共漏放大电路 (b) 微变等效电路确定静态工作点时，可列出回路方程与特性方程联立求解：交流性能分析共漏电路的特点与共集电极电路相似，电压极放大倍数小于1，但场效应管的导跨比双极型晶体管的低，所以共漏电路的电压放大倍数一般比共射电路低,另外它的输出电阻也较低。 难点释疑1放大电路的工作原理2静态工作点与失真例题分析例2.1 画出图P2.1 (a) 所示放大电路交流通路和直流通路。图 P2.1（a）共基放大电路 （b）直流通路 （c）交流通路解：对于直流通路，可以把电路中电容C1 、C2 、Cb看作为开路，这时电路如图P2.1 (b) 所示，即为它的直流通路。对于交流通路，把电路中的电容C1 、C2 、Cb看作为短路，把直流电压源VCC也看作为短路，因这时VCC两端的交流压降（即变化量）为零。由于Cb和VCC看作为短路，电路中的电阻Rb1、Rb2也被短路，得到如图P2.1（c）的电路，这也就是它的交流通路。从交流通路来看，该放大电路实际上是一个共基放大电路。例2.2 共射放大电路如图P2.2 (a) 所示，晶体管的输出特性曲线如图P2.2 (b) 所示，设晶体的UBEQ=0.6V。(1)S断开时，分别作出Rb 为285K和570K时的静态工作点Q及Q，并分别求出这两种情况下的最大木失真输出幅值。(2)当S闭合，Rb=285K时，作出此时的静态工作点Q及求最大不失真输出幅值。图 P2.2（a）共射放大电路 （b）图解法求最大不失真输出幅值解:(1) 因为当Rb=285K时 IBQ=40A ICQ=1.5 IBQ mAUCEQ=6V Uom5V当Rb=570K时 IBQ=0A ICQ=.mAUCEQ=8.8V Uom3.2V（2）经Q点作斜率为1/ RL（RLK）的交流负载线如图P.2（b）所示，这时 UC=ICQ RL+UCEQ=9VUom3V例2.3 放大电路如图P2.3 所示，设晶体管的=20, rbb=300,UBEQ=0.7V ,DZ为理想稳压二极管，其稳压值UZ=6V，各电容对交流均可视为短路。(1)求静态工作点Q.(2)求电压放大倍数Au和输入电阻Ri.(3)若Dz极性接反，电路能否正常放大？试计算此时的静态工作点，并定性分析Dz反接对Au，Ri的影响。图 P2.3解:(1)电阻R的作用是使Dz有一个合适的工作电流，Dz为理想硅稳压管，Dz两端的直流电压为6V，而交流压降为,(动态电阻为)。(2)(3)Dz反接时，Uz为硅二极管的正向压降，Uz0.7V，此时UBQ=1.4V，IBQ0.715mA,ICQ=14.3mA，UCEQ=5V.例2.4 图P2.4所示为放大电路的交流通路，试在下列三种情况下，写出电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro的表达式。(1)U2=0，信号U1从基极输入，放大后从集电极输出。(2)U2=0，信号U1从基极输入，放大后从发射极输出。(3)U1=0，信号U2从发射极输入，放大后从集电极输出。图P2.4解:(1)信号从晶体管的基极输入，集电极输出，发射极作为公共端，这时是共射放大电路，按共射放大电路的Au、Ri、Ro公式可得：(2)信号从晶体管的基极输入，发射极输出，集电极作为公共端，这时是共集放大电路，按共集放大电路的Au、Ri、Ro公式可得： (3)信号从晶体管的发射极输入，集电极输出，基极作为公共端，这时是共基放大电路，共基放大电路的Au、Ri、Ro按公式可得： 例2.5 N沟道耗尽型场效应管共源放大电路如图P2.5（a）所示，试画出其微变等效电路。写出电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro的表达式。设各电容对交流可视为短路。图P2.5（a）场效应管共源放大电路 (b) 微变等效电路解：放大电路的微变等效电路如图P2.5（b）所示。则 基本要求1.了解多级放大电路的耦合方式和组态；2.掌握多级放大电路的动态分析；3.熟练掌握差动放大电路的特点和分析方式。主要内容在实际应用中，一级放大电路的放大倍数不够大，或性能指标达不到要求等原因。所以实际放大电路一般多是由几级基本电路及它们的改进型组合而成，组成多级放大电路。多级放大电路级与级之间的连接（或级间耦合）一般有四种方式，分为直接耦合、阻容耦合和变压器耦合和光电耦合等。变压器耦合由于变压器体积大、费用高、低频特性差，故现较少采用。光电耦合是用发光器件将电信号转变光信号，再通过光敏器件把光信号变为电信号来实现级间耦合。这里介绍直接耦合和阻容耦合放大电路。1多级放大器电路的分析方法多级放大电路的框图如图2-4-1所示。设其中单级放大电路的电压放大倍数为Au1、Au2、Au3Aun，则它们串接后，整个多级放大电路的电压放大倍数为图2-4-1 多级放大电路的框图整个多级放大电路的输入电阻即是第一级放大电路的输入电阻，而输出电阻是最后一级放大电路的输出电阻。在计算多级放大电路交流参数时常采用两种方法，一是画出多级放大电路的微变等效电路，然后用电路方面知识直接求出Uo和Ui 之比，即整个多级放大电路的总电压放大倍，以及输入电阻和输出电阻。另一方法是先求出每级电压放大倍数（利用基本放大电路的一些公式），然后相乘得到总电压放大倍数。但在求单级放大电路的放大倍数时，要考虑到它后面一级的输入电阻应看作为它的负载电阻，而它前面一级的输出电阻对它而言应看作为是信号源的内阻。在求多级放大电路输入电阻和输出电阻时也应考虑前后级的影响。2阻容耦合放大电路阻容耦合电路级与级之间由电容、电阻来连接的，就象前面介绍的基本放大电路在输入和输出端都接在一个隔直电容。由于这种耦合方式每级之间有电容将直流隔开，因此每级的直流通路是独立的，即每级静态工作点不会相互影响和牵制，计算静态工作点也可以每级分别计算。但这种耦合方式的放大电路只能对交流信号进行放大，而不能直流信号进行放大。3直接耦合放大电路直接耦合是级与级连接方式中最简单的，就是将后级的输入与前级输出直接连接在一起，一个放大电路的输出端与另一个放大电路的输入端直接连接的耦合方式称为直接耦合。由于是直接连在一起，因此每级的静态工作点受其他放大级的影响与牵制，若前级静态工作点Q发生变化则会影响到后面各级的Q点，因此对电路的静态分析也比较复杂。另外直接耦合放大电路既能对交流信号进行放大，也能对缓慢变化的信号甚至于直流信号也能放大。所以应用很广泛，并且电路中只有晶体管和电阻，没有大容量耦合电容，所以易于将全部元器件及连线制作在一片硅片上，成为集成化器件。4. 差动放大电路差动放大电路是用两组相同的元器件，组成两个对称的电路，将这两个电路输出的差送至负载，从而使两个电路的零点漂移互相抵消。基本差动放大电路如图所示。它是由两个参数完全相同的共射放大电路组成，输出信号是取自T1、T2管的集电极。先看在静态时（即Ui1=Ui2=0V），由于两管的参数完全相同，使UCQ1=UCQ2，U0=UC1-UC2=0V。如这时由于温度的变化，使UCQ1上升，则这时UCQ2也上升，而且UCQ2上升的量与UCQ1上升量相等，使UO为0V。在电路的输入端Ui1和Ui2都加上一个对地相位相同、大小相等的信号，如图2-5-6所示。这时UC1和UC2同时上升或下降，而且变量相等，所以输出量U0仍为0V。这种相位相同、大小相等的信号我们称它为共模信号，用UIC表示。温度变化或电源电压变化都相当于在这个电路的输入端加了一个共模信号，在电路和器件参数完全一致的理想情况下，这个差动放大电路的输出为零。这样就有效地克服了零点漂移。(1)电路静态工作点，当U1=Ui2=0时这时由于UCQ1=UCQ2=0，流过负载电阻RL的电流为零。(2)差动放大电路的动态特性差模电压放大倍数 差模输入电阻 差模输出电阻 共模抑制比 (理想情况下KCMR为无穷大)(3)差动放大电路的四种型式双端输入单端输出电路Ri =2 ( Rb + rbe ) Ro=Rc单端输入双端输出电路Ri = 2 ( Rb + rbe) Ro =2 Rc单端输入单端输出电路Ri = ( Rb + rbe ) Ro = Rc(4)差动放大电路的改进电路*增加调零电路*另一种带调零差动放大电路Rid = 2 Rb + rbe + 2(1+) *用恒流源的差动放大电路长尾电路Re阻值越大，则电路的共模抑制比就越大，即抑制温漂的能力越强。但增大Re的阻值后，要使晶体管的工作点保持不变，则要增大电源电压VEE的值。这使Re的阻值增大受到限制，如以电流源来代替电阻Re，因电流源的动态电阻很大，就可进一步提高KCMR而差模电压放大倍数、差模输入电阻和差模输出电阻的计算与原来电路相同。难点释疑1. 差模、共模信号差模信号：两信号大小相等，相位相反。共模信号：两信号大小相等，相位相同。计算：叠加原理 2. 差动放大电路的四种形式双入双出电路双入单出电路单入双出电路单入单出电路例题分析例3.1 分析图P3.1所示是一个二级阻容耦合放大电路。解:它第一级是共集放大电路，第二级是共射放大电路，因此它是共集共射组态的二级放大电路。图3.1 二级阻容耦合放大电路下面我们来分析这个放大电路，设电容C1,C2,C3,Ce均为足够大。1.静态工作点计算2.交流性能计算先求出每级电压放大倍数，再求出总的电压放大倍数。晶体管的h参数为第二级的输入电阻ri2相当于是第一级的负载电阻，它为输入电阻和输出电阻为例3.2 分析图P3.2所示是一个两级直接耦合放大电路。解：T1 、T2 分别为共集、共射放大组态。共集电路具有阻抗变换作用，取其输入电阻高，输出电阻低，共射电路电压放大倍数较大，两者结合后放大电路的性能较好。图P3.2静态工作点的确定不能每级分别计算，可以通过下面的联立电路方程来求得：第一级的电压放大倍其中ri2为第二级的输入电阻，它为在11 、21 时输入电阻和输出电阻分别为例3.3分析图P3.3（a）所示二级放大电路。解：第一级T1是共射放大电路，第二级T2是共基放大电路，因此是共射共基组态，由于T 1T2是串接起来，故此电路又称为串接放大电路。图P3.3（a）共射共基电路 (b) 微变等效电路静态工作点的分析。这里UBQ1确定了T1 、T2 的静态电流ICQ1、ICQ2 ，而UBQ2确定了UCQ2，即UCEQ1与UCEQ2，因此通过调整UBQ1与UBQ2来改变两个晶体管工作点，使T1, T2都工作在放大区内。动态性能的分析计算。先画出它的微变等效电路如图2-4-4（b）所示，第一级电压放大倍数Au1为第二级放大倍数AU2为则例3.4分析图P3.4（a）所示二级放大电路。解：图P3.4（a）所示二级放大电路是场效应管与晶体管混合放大电路由于场效应管的输入电阻很大，因此常常作为放大电路的输入级，特别是在信号源电流很小的情况下。图2-4-5（a）所示是由场效应管与晶体管组成的两级放大电路，场效应管是共漏放大电路，晶体管是共射放大电路，因此这个电路是共漏共射组态，使它的输入电阻得到进一步提高。图 P3.4(a) 共漏共射放大电路 (b) 微变等效电路下面我们计算这个放大电路的性能参数，它的微变等效电路如图P3.4（b）所示。由微变电路可得：则Ri=Rg静态工作点的计算可通过下面联立方程求得读者可自行分析计算。例3.5在图P3.5 所示的两级放大电路中，设晶体管的参数为1、2、rbe1、rbe2。并设各电容都足够大，试写出放大电路的电压放大倍数u、输